DNA ist nur halb so groß wie Chromosomen. Alles andere ist eine Hülle unbekannter Funktionalität

Dreidimensionales Modell des 4. menschlichen Chromosoms

In der Schule wurde uns beigebracht, dass der Kern jeder Zelle Filamentstrukturen enthält, die als Chromosomen bezeichnet werden und in denen Gene gespeichert sind - Vererbungseinheiten, die in einer linearen Reihenfolge angeordnet sind. Gene werden als Teil eines DNA-Makromoleküls codiert. Aber alles ist nicht so einfach wie es scheint.

Von dem Moment ihrer Entdeckung im Jahr 1882 an wurden die Chromosomen einer gründlichen und sorgfältigen Untersuchung unterzogen, einschließlich der Verwendung von optischen und Elektronenmikroskopen. Überraschenderweise können Wissenschaftler immer noch nicht klar verstehen, wie ihre Struktur organisiert ist.

Seit Jahrzehnten konzentrieren sich Wissenschaftler auf die Forschung, hauptsächlich auf Chromatin. Dies ist die wichtigste funktionelle Substanz der Chromosomen, bei der es sich um einen Komplex aus DNA, RNA und Proteinen handelt. In der Zusammensetzung des Chromatins werden genetische Informationen sowie DNA-Replikation und -Reparatur realisiert.

Eines der Haupträtsel ist, wie die Chromatinpackung (Faltung) erfolgt. Lange Zeit wurde angenommen, dass die Verpackung zufällig erfolgt, aber in letzter Zeit sind andere Theorien aufgetaucht. Einige Wissenschaftler schlagen vor, dass die Verpackung auf der Basis einer Polymerschmelze erfolgt . Es gibt Meinungen, dass Chromosomen eine Kette miteinander verbundener Verpackungsprozesse durchlaufen, von der Schraubenwicklung um das Nukleosom über eine magnetische 30-nm-Faser bis hin zu einer größeren Spirale. Immerhin gibt es eine dritte Klasse von Theorien, die darauf hinweisen, dass Chromosomen aus Chromatinschleifen bestehen, die von Nicht-Histon-Proteinen zurückgehalten werden .

Das letzte der aufgelisteten Modelle der Chromosomenstruktur wurde kürzlich zusätzlich bestätigt. Im Jahr 2013 zeigten fortschrittliche Mikroskopiemethoden deutlich, wie eine lineare Matrix von Chromatinschleifen im Zellkern gebildet wird (siehe die Arbeit von Natalia Naumova von der University of Massachusetts und Kollegen, die in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurden ). Das Video zeigt mehr, wie die Selbstorganisation der Chromosomen stattfindet.

Organisation mitotischer Chromosomen (Begleitmaterial zu einem Artikel von Natalya Naumova und Kollegen aus dem Jahr 2013)


Alle diese Chromatinstudien ignorierten jedoch weitgehend die dünne Oberflächenschicht, die 1968 mit der Methode der klassischen Mikroskopie auf Chromosomen entdeckt wurde . Diese periphere Schicht wurde schlecht untersucht und ihre Zusammensetzung und Struktur blieb nahezu unbekannt. Standardmäßig wurde angenommen, dass dies nur eine Art amorphe Masse war, die an den Chromosomen haftete.

Das Problem ist, dass wir Chromosomen nur unter bestimmten Bedingungen untersuchen können, sodass wir keine klare Vorstellung davon haben, wie sie tatsächlich aussehen.

Eine Gruppe britischer Wissenschaftler der University of Edinburgh untersucht seit mehreren Jahren die äußere Beschichtung von Chromosomen. Vor einigen Jahren haben sie bewiesen, dass der Aufbau des äußeren Teils des Chromosoms notwendigerweise die Anwesenheit von Ki-67- Protein erfordert. Wissenschaftler haben vorgeschlagen, dass Chromosomenbeschichtungen unter Verwendung dieses Proteins hergestellt werden.

Eine neue Studie, die von einer Gruppe von Wissenschaftlern durchgeführt wurde, enthält die Ergebnisse der 3D-Modellierung der Struktur des Chromosoms sowie eine Beschreibung der Schale. Laut Wissenschaftlern macht dieses Material 47% des Chromosomenvolumens aus. Gleichzeitig ist die Funktionalität dieses Materials noch unklar.

Vermutlich werden einzelne Chromosomen aufgrund der Membran während des Schlüsselprozesses der Zellteilung voneinander isoliert. Wahrscheinlich hilft dieses Material auch, Zellteilungsfehler zu vermeiden. Es ist bekannt, dass einige Arten von Krebstumoren und angeborenen Erkrankungen des Menschen mit einer solchen fehlerhaften Teilung verbunden sind.

Zum ersten Mal in der Geschichte der Wissenschaft haben Wissenschaftler detaillierte 3D-Modelle aller 46 menschlichen Chromosomen zusammengestellt. Möglich wurde dies durch die Verwendung der neuen 3-D-CLEM-Methode, die optische Mikroskopie und Elektronenmikroskopie kombiniert und die Aufzeichnung von Chromosomen mit beispielloser Auflösung ermöglicht.


Schematische Beschreibung aller Phasen des 3-D-CLEM-Prozesses, der 5,5 bis 19,5 Tage dauert.

Als Ergebnis haben Wissenschaftler die Länge, Breite, Oberfläche, das Volumen und die Packungsdichte von DNA in den Chromosomen simuliert.



„Die Visualisierungsmethode, die wir für die Untersuchung von Chromosomen entwickelt haben, ist wirklich revolutionär“, sagt erDr. Daniel Booth von der University of Edinburgh. „Zum ersten Mal haben wir aufgrund der Struktur aller 46 untersuchten menschlichen Chromosomen die Idee überdacht, dass sie fast ausschließlich aus Chromatin bestehen. Diese Annahme ist seit fast 100 Jahren unverändert. “

Tatsächlich macht Chromatin nur 53% bis 70% der Chromosomen aus. Alles andere ist eine Schale, die viel dicker als erwartet ist.

Das Verständnis der Struktur der Chromosomen und der Membran sowie des Teilungsprozesses wird dazu beitragen, die Entwicklung bestimmter Krankheiten zu untersuchen und zu verhindern.

Die wissenschaftliche Arbeit veröffentlicht 10. November 2016 im Journal of molekularem die Zelle (doi: 10.1016 / j.molcel.2016.10.009, pdf ).

Source: https://habr.com/ru/post/de399449/